Команда представит совершенно новое исследование этой новой технологии улавливания и утилизации CO2 на 250-м Национальном собрании и выставке Американского химического общества (ACS).
«Мы нашли способ использовать атмосферный CO2 для производства углеродных нановолокон с высоким выходом», — говорит Стюарт Лихт, доктор философии.D., который возглавляет исследовательскую группу в Университете Джорджа Вашингтона. «Такие нановолокна используются для изготовления прочных углеродных композитов, таких как те, что используются в Boeing Dreamliner, а также в высококачественном спортивном оборудовании, лопастях ветряных турбин и множестве других продуктов."
Ранее исследователи производили удобрения и цемент без выбросов CO2, о чем они сообщили. Теперь команда, в которую входит научный сотрудник Цзявен Рен, Ph.D., и аспирантка Джессика Стюарт говорят, что их исследования могут превратить CO2 из проблемы глобального потепления в сырье для производства востребованных углеродных нановолокон.
Лихт называет свой подход «бриллиантами с неба»."Это относится к углероду как материалу, из которого сделаны алмазы, а также намекает на высокую ценность таких продуктов, как углеродные нановолокна, которые могут быть изготовлены из атмосферного углерода и кислорода.
Благодаря своей эффективности этот процесс с низким энергопотреблением может выполняться с использованием всего лишь нескольких вольт электричества, солнечного света и большого количества углекислого газа. По сути, система использует электролитический синтез для создания нановолокон.
CO2 расщепляется в высокотемпературной электролитической ванне из расплавленных карбонатов при температуре 1380 градусов F (750 градусов C). В электролитическую ячейку добавляется атмосферный воздух. Оказавшись там, CO2 растворяется под воздействием тепла и постоянного тока через электроды из никеля и стали. Углеродные нановолокна накапливаются на стальном электроде, откуда их можно удалить, говорит Лихт.
Для питания синтезаторов тепло и электричество производятся с помощью гибридной и чрезвычайно эффективной системы концентрирования солнечной энергии. Система фокусирует солнечные лучи на фотоэлектрической солнечной батарее для выработки электричества и на второй системе для выработки тепла и тепловой энергии, которая повышает температуру электролитической ячейки.
По оценке Licht, затраты на электроэнергию для этого «солнечно-термического электрохимического процесса» составляют около 1000 долларов на тонну продукта из углеродного нановолокна, что означает, что стоимость эксплуатации системы в сотни раз меньше, чем стоимость продукции.
«Мы подсчитали, что с физической площадью менее 10% пустыни Сахара наш процесс может удалить достаточно CO2, чтобы снизить его уровень в атмосфере до уровня доиндустриальной революции в течение 10 лет», — говорит он.
В настоящее время система является экспериментальной, и самая большая задача Licht будет заключаться в том, чтобы ускорить процесс и получить опыт для производства нановолокон одинакового размера. «Мы быстро расширяемся, — добавляет он, — и скоро мы сможем производить десятки граммов нановолокон в час."
Лихт объясняет, что одним из достижений группы в последнее время является способность синтезировать углеродные волокна, используя даже меньше энергии, чем при первоначальной разработке процесса. «Рост углеродного нановолокна может происходить при напряжении менее 1 вольт при 750 градусах Цельсия, что, например, намного меньше, чем 3-5 вольт, используемых при промышленном образовании алюминия при 1000 градусах Цельсия», — говорит он.
Заголовок
Новый подход к утилизации углекислого газа: угольная батарея с расплавленным воздухом
Абстрактный
По мере увеличения уровня углекислого газа (CO2) в атмосфере Земли влияние изменения климата становится все более очевидным. Поскольку потребность в сокращении нашей зависимости от ископаемого топлива и сокращении выбросов углерода возрастает, необходим переход на возобновляемые источники энергии.
Необходимо создать экономически эффективное крупномасштабное хранилище электроэнергии, чтобы возобновляемые источники энергии стали устойчивым вариантом в будущем. Ранее мы показали, что углекислый газ можно улавливать прямо из воздуха при КПД до 50%, и что углекислый газ, связанный с образованием цемента и производством других товаров, можно избежать электрохимически в процессе STEP.1-3
Углеродная батарея на расплавленном воздухе, представленная нашей группой в конце 2013 года, привлекательна благодаря своей масштабируемости, гибкости местоположения и конструкции из легко доступных ресурсов, обеспечивая батарею, которая может быть полезна для крупномасштабных приложений, таких как хранение возобновляемой электроэнергии.4
В редких случаях углекислый газ из расплавленного воздуха может утилизировать углекислый газ непосредственно из воздуха:
(1) зарядка: CO2 (г) -> C (твердый) + O2 (г)
(2) выпуск: C (твердый) + O2 (г) -> CO2 (г)
Более конкретно, в расплавленном карбонатном электролите, содержащем добавленный оксид, такой как карбонат лития с оксидом лития, реакция 4-хэлектронной зарядки. 1 приближается к 100% фарадовой эффективности и может быть описан следующими двумя уравнениями:
(1a) O2- (растворенный) + CO2 (г) -> CO32- (расплавленный)
(1b) CO32- (расплав) -> C (твердый) + O2 (г) + O2- (растворенный)
Таким образом, углеродная батарея с расплавленным воздухом, работающая на углероде, образующемся непосредственно из CO2 в атмосфере нашей Земли, является жизнеспособной системой для обеспечения крупномасштабного хранения энергии.
1) S. Лихт, «Эффективный солнечный синтез, улавливание углерода и опреснение, STEP: солнечное термическое электрохимическое производство топлива, металлов, отбеливателя», Advanced Materials, 47, 5592 (2011).
2) S. Licht, H. Wu, C. Хеттидж, Б. Ван, Дж. Лау, Дж.
Асерсион, Дж. Стюарт "Цемент STEP: солнечное термическое электрохимическое производство CaO без выбросов CO2", Chemical Communications, 48, 6019 (2012).
3) S. Licht, B. Цуй, B. Ван, Ф.-F. Ли, Дж.
Лау, S. Лю, "Синтез аммиака N2 и паровой электролиз в суспензиях расплавленных гидроксидов наноразмерного Fe2O3", Science, 345, 637 (2014).
4) S. Licht, B. Цуй, Дж.
Стюарт, B. Ван, Дж. Лау, "" Батареи на расплавленном воздухе — новый, самый высокий класс энергии перезаряжаемых батарей, Энергетика и экология, 6, 3646 (2013) ".